JP6115445B2 - エピタキシャル成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置に関する。

気相成長法により、シリコン単結晶基板の表面にエピタキシャル層を形成したシリコンエピタキシャルウェーハは電子デバイスに広く使用されている。近年、電子デバイスの微細化によって、エピタキシャル膜厚の面内均一化が重要な課題の一つとなっている。

エピタキシャル層の成長速度は温度の影響を強く受けるので、エピタキシャル層の膜厚均一性を向上させる為には、シリコン単結晶基板の面内の温度分布の制御が重要である。エピタキシャルウェーハ製造装置の加熱方式には様々なものがあり、シリコンウェーハを１枚ずつエピタキシャル成長させる枚葉エピタキシャル装置の場合は、シリコンウェーハの上下からハロゲンランプヒータで加熱する方式が多く使われる。ハロゲンランプに片口金型ランプを用いる場合はランプを円形に配列することになり、このランプの背後にはヒータからの熱線を反射して基板に照射するためのドーナツ状のリフレクタを配置する。また他に、サセプタの支持軸の保護や温度計測のための光路確保のために、サセプタに載置された基板の上下で、ドーナツ状のリフレクタの中心を通る円筒形状のリフレクタも配置される。

ヒータの背後に設置されるドーナツ状のリフレクタ形状の違いにより、基板の中心付近を強く照射するインサイド用ランプと、基板の周辺付近を強く照射するアウトサイド用ランプがあり、この両方のランプの照射強度を調整することにより、基板面内の温度分布の均一化を図っているが、基板中心付近の照度は急激に増大しやすく、インサイド／アウトサイド用ランプの照度を調整しても、急激に変動した照度分布が残ってしまう問題があった。これにより、基板面内の温度分布が不均一となり、エピタキシャル層の膜厚が不均一になってしまうという問題があった。

特許文献１や特許文献２では、ドーナツ状リフレクタの曲率半径の変更や、ランプ中心側に散乱体を有する構造にすることで、急激な照度分布を抑制し、温度分布を改善している。

特開2013-058627 特開2013-110145

本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、エピタキシャル成長において、ヒータからの熱線を調節して、シリコン単結晶基板を面内均一に加熱し、膜厚が均一なエピタキシャル層を成長させることができるエピタキシャル成長装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエピタキシャル成長装置は、サセプタに略水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備えるエピタキシャル成長装置において、前記シリコン単結晶基板の近傍に前記ヒータからの熱線を散乱する散乱体及び／又は前記ヒータからの熱線を吸収する吸収体を有し、前記散乱体及び／又は前記吸収体が略円形状に設けられてなり、前記散乱体及び／又は前記吸収体の直径が、前記シリコン単結晶基板の直径の５〜５０％の範囲にあり、前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がシリコン単結晶基板面の上方で、前記シリコン単結晶基板の表面からの距離が前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の範囲にあることを特徴とする。

散乱体及び／又は吸収体をシリコン単結晶基板或いはサセプタの上方、又はサセプタの下方に、略円形状に設置することで、シリコン単結晶基板の局所的な部分の温度を低下させることが出来、また、散乱体又は吸収体の位置、散乱量を変更することにより温度の低下部分と低下量をコントロールすることが可能である。

また、前記散乱体及び／又は前記吸収体を略円形状に設けるにあたっては、略円形状の散乱体及び／又は吸収体を使用してもよいし、非円形状の散乱体及び／又は吸収体を並べて集合体として略円形状としたものを使用してもよい。また、略円形状であればリング状でもよく、その場合、前記散乱体及び／又は前記吸収体の直径は、リング状の外径をその直径とする。

前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がシリコン単結晶基板面の上方で、前記シリコン単結晶基板の表面からの距離が前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の範囲にあるのが好適である。すなわち、前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がシリコン単結晶基板面の上方且つ前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の距離に設けられるのが好適である。

前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がサセプタの下方で、前記サセプタの下面からの距離が前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の範囲にあるのが好適である。すなわち、前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がシリコン単結晶基板面の下方且つ前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の距離に設けられるのが好適である。

前記散乱体が、反射体であるのが好ましい。

前記反射体が、金メッキ製であるのが好ましい。

前記散乱体及び／又は前記吸収体が、細線形状であるのが好ましい。

前記散乱体及び／又は前記吸収体が、炭化珪素製又は炭化珪素で被覆されたものであるのが好ましい。例えば、前記炭化珪素で被覆されたものとしては、炭素製基材を炭化珪素で被覆したものが適用できる。

前記散乱体及び／又は前記吸収体が、石英製であるのが好ましい。

前記散乱体が、石英製散乱体であり、その表面粗さがＲａ０．０１〜１０μｍであるのが好適である。

前記石英製散乱体が、高さ０．１〜１０ｍｍの凹凸表面を有する形状であるのが好適である。また、前記石英製散乱体が、波長１５５０ｎｍにおける透過率で２５％を超えるのが好ましい。

本発明によれば、エピタキシャル成長において、ヒータからの熱線を調節して、シリコン単結晶基板を面内均一に加熱し、膜厚が均一なエピタキシャル層を成長させることができるエピタキシャル成長装置を提供することができるという著大な効果を奏する。

本発明に係るエピタキシャル成長装置の一つの実施の形態を示す側面概略図である。 本発明に係るエピタキシャル成長装置の別の実施の形態を示し、（ａ）が側面概略図、（ｂ）が（ａ）の部分拡大図である。 従来のエピタキシャル成長装置を示す側面概略図である。 従来のエピタキシャル成長装置におけるウェーハ面内温度分布を示すグラフである。 実施例２−５のウェーハ面内温度分布を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に、本発明に係るエピタキシャル成長装置の一つの実施の形態を示す。本発明のエピタキシャル成長装置１０Ａは、反応ガスを基板Ｗに対して略水平に導入して、基板Ｗ上に薄膜を気相成長させるための反応室１１と、反応室１１内にシリコン単結晶基板Ｗを略水平に配置するためのサセプタ１２と、前記サセプタ１２の上下に各々配置され、シリコン単結晶基板Ｗを加熱するための放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータ１５ａ，１５ｂと、前記上のヒータ１５ａの中央に配置された円筒状リフレクタ１４ａ及び前記下のヒータ１５ｂの中央に配置された円筒状リフレクタ１４ｂと、を備える。前記円筒状リフレクタ１４ａ，１４ｂにより、支持軸１３の加熱防止や、温度計測のための光路を確保することができる。

サセプタ１２は、該サセプタ１２を回転させる機構を設けた支持軸１３により支持されている。前記支持軸１３はサセプタ１２の周縁部を支持する複数のアーム部２４ａ，２４ｂを有している。また、上のヒータ１５ａの上側及び下のヒータ１５ｂの下側には、上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂが各々配置される。

前記円筒状リフレクタ１４ａ，１４ｂ、ドーナツ状リフレクタ１６ａ，１６ｂ及びヒータ１５ａ，１５ｂの構成については、特許文献１及び特許文献２に開示された円筒状リフレクタ、ドーナツ状リフレクタ及びヒータと同様の構成を採用することができる。

すなわち、上下のヒータ１５ａ、１５ｂは、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有する。この単体ヒータとしては、例えばハロゲンランプを用いることができ、主に基板中央部に熱線を照射するインサイド用ランプである単体ヒータと、主に基板の周辺部に熱線を照射するアウトサイド用ランプである単体ヒータとを並べてヒータ１５ａ、１５ｂを形成する。これらインサイド／アウトサイド用の単体ヒータの照射強度を各々調節して基板を面内均一に加熱する。
上のヒータ１５ａの上側及び下のヒータ１５ｂの下側に、上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂが各々配置される。この上下のドーナツ状リフレクタ１６ａ、１６ｂの少なくとも一つは、ヒータ１５ａ、１５ｂの熱放射を収束させる円筒凹面形状の収束反射板部と、熱放射を分散させる平板形状の分散反射板部とを有する。これら収束反射板部、分散反射板部は、交互に形成されてもよいし、回転対称又は線対称に形成されてもよい。

そして、本発明のエピタキシャル成長装置１０Ａは、前記シリコン単結晶基板Ｗ又は前記サセプタ１２の近傍に吸収体１７が設けられており、前記ヒータ１５ａ、１５ｂからの熱線を吸収する吸収領域を有している。前記吸収体である吸収体１７は円盤状であり、前記吸収体の直径が、前記シリコン単結晶基板の直径の５〜５０％の範囲にある。なお、前記シリコン単結晶基板は円盤状のウェーハである。

図１の例では、吸収体１７は円盤状のものを示した。図１の例では、吸収体１７としては、炭素製基材を炭化珪素で被覆したものを示した。このように、炭化珪素製又は炭素製基材を炭化珪素で被覆したものであれば、ヒータからの熱放射を効果的に吸収させることができる。そして、前記吸収体の位置がサセプタ１２の下方で、前記サセプタ１２の下面からの距離がシリコン単結晶基板Ｗの直径の２０％未満の範囲としてある。

上記のように吸収体１７を設けることで、前記上のヒータ１５ａ、１５ｂからの熱線を吸収させる吸収領域が形成され、シリコン単結晶基板Ｗの局所的な部分の温度を低下させることができる。故に、シリコン単結晶基板Ｗを面内で均一に加熱することができるため、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。

次に、本発明に係るエピタキシャル成長装置の別の実施の形態を図２（ａ）（ｂ）に示す。図２（ａ）（ｂ）において、本発明のエピタキシャル成長装置１０Ｂは、散乱体２０としてリング形状の金メッキ製反射体を用いた以外は上記したエピタキシャル成長装置１０Ａと同様の構成である。なお、このような反射体の材質としては、例えば、ステンレス等の金属材料を金メッキしたものとすることができる。

前記上のヒータからの熱線を散乱させる散乱体２０は、前記シリコン単結晶基板Ｗの直上に設けられており、前記シリコン単結晶基板Ｗの上面と前記上側ドーナツ状リフレクタ１４ａの下端との間に、支持部２２を介して設けられている。そして、散乱体２０の位置がシリコン単結晶Ｗの基板面の上方で、前記シリコン単結晶基板Ｗの表面からの距離が前記シリコン単結晶基板Ｗの直径の２０％未満の範囲にある。

上記のように散乱体２０を設けることで、前記シリコン単結晶基板Ｗの上面と前記上の円筒状リフレクタ１４ａの下端との間に、前記上のヒータ１５ａからの熱線を散乱させる散乱体が形成され、シリコン単結晶基板Ｗの局所的な部分の温度を低下させることが出来る。故に、シリコン単結晶基板Ｗを面内で均一に加熱することができるため、面内均一な膜厚のエピタキシャル層を成長させることができ、高品質のエピタキシャルウェーハを製造することができる。

また、散乱体２０は、石英製散乱体とすることで、単体ヒータからの熱放射を効果的に散乱させることもできる。また、それらの表面粗さ、表面形状等を変えることで、散乱の度合いを調節することも容易である。

石英製散乱体とした場合の表面粗さは、Ｒａ０．０１〜１０μｍであることが好ましい。また、石英製散乱体とした場合には、高さ０．１〜１０ｍｍの凹凸表面を有する形状であるのがさらに好適である。さらに、前記石英製散乱体が、波長１５５０ｎｍにおける透過率で２５％を超えることが好ましい。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

（実施例１・比較例１）
実施例１として、図１のような直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置において、直径３００ｍｍのシリコンウェーハの中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を測定した。測定は、特公平０７−０５８７３０に記載されている方法で行った。これは、イオン注入によって表面に不純物注入層が形成された拡散ウェーハを用意し、熱拡散後のシート抵抗を測定することによりウェーハの面内温度分布を求める方法である。実施例１では、図１に示すように、サセプタの下方でサセプタの下面からの距離が１５ｍｍの位置に直径５０ｍｍの円盤状の炭化珪素で被覆された炭素製の吸収体を設置した。このときのウェーハ中心部の温度減衰量（本願散乱体を設置した場合の、設置しなかった場合に比較した温度の低下量）は５．８℃、ウェーハ面内温度分布（ウェーハ面内温度均一性）は±３．６℃であった。実施例１の温度減衰量とウェーハ面内温度分布を表１に示す。

また、比較例１として、図３に示した従来の直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置１００において、シリコンウェーハの中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を実施例１と同様に測定した。従来の枚葉式エピタキシャル成長装置１００は、図１の吸収体１７が設置されていないこと以外は図１の枚葉式エピタキシャル成長装置１０Ａと同様の構成である。比較例１の温度分布を図４に示す。比較例１の温度減衰量とウェーハ面内温度分布を表１に示す。比較例１のウェーハ面内温度分布は±６．５℃であった。

（実施例２）
図２（ａ）（ｂ）のように、ウェーハ中心部の直上にリング形状の散乱体として円筒シリンダ形の散乱体を設置した直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置において、シリコンウェーハの中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を実施例１と同様に測定した。円筒シリンダ形の散乱体としては、図２（ｂ）に示すように、直径ｄが８０ｍｍ、シリンダ高さｈが５ｍｍ、厚さｔが２ｍｍのものを使用した。使用した散乱体はリング形状の金メッキ製反射体であり、設置高さ（ウェーハ表面からの距離）を５ｍｍ，２０ｍｍ，３０ｍｍ，４０ｍｍ，５０ｍｍ，６０ｍｍと変更し温度減衰量を評価したところ、表２に示すように、それぞれ２２．３℃，２２．１℃，１７．３℃，１５．４℃，１０．２℃，３．４℃であった。また、ウェーハ面内温度分布は、表２に示すようにそれぞれ±６．３℃，６．２℃，３．８℃，２．８℃，１．６℃，９．６℃であった。実施例２−５のウェーハ面内温度分布を図５に示す。

（実施例３）
図２（ａ）（ｂ）のように、ウェーハ中心部の直上にリング形状の散乱体を設置した直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置において、シリコンウェーハの中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を実施例１と同様に測定した。散乱体は直径ｄが８０ｍｍの円筒シリンダ形のリング形状の金メッキ製反射体であり、シリンダ高さｈを２ｍｍ，１０ｍｍ，２０ｍｍに変更したもの（厚さｔは２ｍｍ）、および直径０．５ｍｍの金メッキ細線を螺旋状に重ねた形状（直径ｄは８０ｍｍ）の反射体を使用した。温度減衰量を評価したところ、表３に示すように、それぞれ１１．２℃，２２．９℃，４０．３℃，５．０℃であった。また、ウェーハ面内温度分布は、表３に示すようにそれぞれ±１．６℃，６．６℃，１５．３℃，４．０℃であった。

（実施例４）
図２（ａ）（ｂ）のように、ウェーハ中心部の直上にリング形状の散乱体を設置した直径３００ｍｍウェーハ用の枚葉式エピタキシャル成長装置において、ウェーハ中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を実施例１と同様に測定した。散乱体は直径ｄが８０ｍｍの円筒シリンダ形のリング形状の石英製であり（厚さｔは２ｍｍ）、シリンダの表面粗さをＲａ＝０．０１μｍ，０．１μｍ，１０μｍに加工したもの、及びシリンダ表面に幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を２ｍｍ間隔で加工した凹凸表面を有するものの温度減衰量を評価したところ、表４に示すように、それぞれ５．４℃，８．０℃，１２．９℃，１２．１℃であった。また、ウェーハ面内温度分布は、表４に示すようにそれぞれ±３．８℃，２．５℃，１．６℃，１．６℃であった。

（実施例５）
図２（ａ）（ｂ）のように、ウェーハ中心部の直上にリング形状の吸収体を設置した直径３００ｍｍウェーハ用の枚様式エピタキシャル成長装置において、ウェーハ中心温度を１１００℃に加熱したときのウェーハ面内温度分布を実施例１と同様に測定した。吸収体は直径ｄが８０ｍｍの円筒シリンダ形状の石英製であり（厚さｔは２ｍｍ）、波長１５５０ｎｍにおける透過率を８０％，２５％，１％と加工したものの温度減衰量を評価したところ、表５に示すようにそれぞれ９．２℃，３２．０℃，４０．０℃であった。また、ウェーハ面内温度分布は表５に示すようにそれぞれ±１．９℃，１１．１℃，１５．１℃であった。

このように、本発明のエピタキシャル成長装置を用いることで、ウェーハの局所的な部分の温度を低下させることができ、また低下量のコントロールが可能であることが示された。

なお、上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１０Ａ，１０Ｂ：本発明のエピタキシャル成長装置、１１：反応室、１２：サセプタ、１３：支持軸、１４ａ、１４ｂ：円筒状のリフレクタ、１５ａ、１５ｂ：ヒータ、１６ａ、１６ｂ：ドーナツ状リフレクタ、１７：吸収体、２０：散乱体、２２：支持部、２４ａ，２４ｂ：アーム部、１００：従来のエピタキシャル成長装置、ｄ：直径、ｈ：高さ、ｔ：厚さ、Ｗ：シリコン単結晶基板。

Claims (9)

1. サセプタに略水平に載置されたシリコン単結晶基板の主表面にエピタキシャル層を成長させるエピタキシャル成長装置であって、前記サセプタの上下に各々配置され、放射状に円形に並べられた複数の棒状の単体ヒータを有するヒータと、前記上のヒータの上側及び前記下のヒータの下側に各々配置された上下のドーナツ状リフレクタとを備えるエピタキシャル成長装置において、
   前記シリコン単結晶基板の近傍に前記ヒータからの熱線を散乱する散乱体及び／又は前記ヒータからの熱線を吸収する吸収体を有し、前記散乱体及び／又は前記吸収体が略円形状に設けられてなり、前記散乱体及び／又は前記吸収体の直径が、前記シリコン単結晶基板の直径の５〜５０％の範囲にあり、前記散乱体及び／又は前記吸収体の位置がシリコン単結晶基板面の上方で、前記シリコン単結晶基板の表面からの距離が前記シリコン単結晶基板の直径の２０％未満の範囲にあることを特徴とするエピタキシャル成長装置。
2. 前記散乱体が、反射体であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成長装置。
3. 前記反射体が、金メッキ製であることを特徴とする請求項２記載のエピタキシャル成長装置。
4. 前記散乱体及び／又は前記吸収体が、細線形状であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載のエピタキシャル成長装置。
5. 前記散乱体及び／又は前記吸収体が、炭化珪素製又は炭化珪素で被覆されたものであることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成長装置。
6. 前記散乱体及び／又は前記吸収体が、石英製であることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル成長装置。
7. 前記散乱体が、石英製散乱体であり、その表面粗さがＲａ０．０１〜１０μｍであることを特徴とする請求項６記載のエピタキシャル成長装置。
8. 前記石英製散乱体が、高さ０．１〜１０ｍｍの凹凸表面を有する形状であることを特徴とする請求項６又は７記載のエピタキシャル成長装置。
9. 前記石英製散乱体が、波長１５５０ｎｍにおける透過率で２５％を超えることを特徴とする請求項６〜８いずれか１項記載のエピタキシャル成長装置。